薄膜材料與技術(shù)小論文

1、 北京科技大學薄膜材料與技術(shù)小論文題目： 太陽能電池中的薄膜材料 課程名稱： 薄膜材料與技術(shù) 學 院：材料科學與工程學院班 級：學生姓名： 學生學號：評 分： 日期： 摘要薄膜材料在提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率方面有著很大的作用。隨著薄膜材料種類和制備工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有很多種基于不同薄膜材料和工藝的太陽能電池，包括硅基薄膜太陽能電池、化合物半導體薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池等等。關(guān)鍵詞太陽能電池 薄膜材料 染料敏化 應用一、太陽能電池簡介太陽能在地球上分布非常廣泛，儲量巨大、穩(wěn)定、持久、清潔無污染。太陽每秒向外太空輻射的能量約為3.8x1020兆瓦，而每年投射到地面上的太陽能約為1.05

2、x1018千瓦時，相當于1.3x1015噸標準煤。按照目前太陽質(zhì)量的消耗速率計，太陽內(nèi)部的熱核反應足以維持6x1010年，因此，可以說太陽能是取之不盡，用之不竭的。1太陽能電池是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置，是太陽能光伏發(fā)電的基礎，是利用光生伏打效應將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?目前，太陽能電池的種類很多，按照晶體結(jié)構(gòu)可分為單晶、多晶、非晶及納米晶系太陽能電池；按照結(jié)型分為PN結(jié)、MS結(jié)、MIS結(jié)太陽能電池；按照材料種類可分為晶硅太陽能電池、硅基薄膜太陽能電池、化合物半導體薄膜太陽能電池和光電化學太陽能電池等。二、薄膜材料在太陽能電池中的應用多元化合物薄膜太陽能電池（即硅基薄膜太陽能電池）是第二代

3、太陽能電池，包括碲化鉻（CdTe）、銅銦硒（CIS）、砷化鎵（GaAs）、銅銦鎵硒（CIGS）等。這類電池的轉(zhuǎn)化效率較高，達到18-20%，其成本較單晶硅低，易于大規(guī)模生產(chǎn)。但是，它含有的鎘元素有毒且會污染環(huán)境，銦和硒等又均屬于稀有元素，原料來源受限。以有機化合物和納米技術(shù)為基礎的新型薄膜太陽能電池是第三代太陽能電池，包括染料敏化太陽能電池、有機聚合物太陽能電池等。這類太陽能電池具有工藝簡單、成本較低、材料來源廣泛、理論光電轉(zhuǎn)換效率較高等優(yōu)勢，因此受到了廣泛的關(guān)注，是太陽能電池的又一發(fā)展方向。但是，它仍然存在一些問題，如轉(zhuǎn)換效率仍不夠高、材料的長期耐久性問題、大面積工藝技術(shù)等。2.1硅基薄膜太

4、陽能電池2.1.1多結(jié)疊層硅基薄膜太陽能電池它是一種結(jié)構(gòu)新穎的硅基薄膜太陽能電池，以納米晶柱薄膜為核心技術(shù)。將不同光學帶隙的納米晶柱薄膜組成疊層薄膜電池，不但擴展了太陽光譜響應的范圍，而且比a-Si：H（氫化非晶硅）和u c-Si：H有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。研究表明，由三個子電池硅構(gòu)成的硅基薄膜太陽能電池采用陷光結(jié)構(gòu)和最佳光學帶隙匹配和厚度匹配，其效率可達到22.7%。更多結(jié)的疊層電池不但會增加生產(chǎn)成本，而且進一步提高光電轉(zhuǎn)換效率將變得困難。3轉(zhuǎn)換效率的制約因素主要來自于光生載流子的復合，包括膜層界面復合、摻雜層雜質(zhì)電離復合、晶粒間界復合等。膜層界面復合是指組合電池中共有十余層界面，存在著很高的

5、界面態(tài)密度，它們對光生載流子起復合中心的作用。發(fā)生復合的光生載流子對光電轉(zhuǎn)換沒有貢獻。因此，疊層越多，復合率越高；摻雜層雜質(zhì)電離復合是指摻雜層是光激發(fā)的“死區(qū)”，此處光生載流子復合率很高；晶粒間界復合是指晶界原子相對無序排列，其懸掛鍵如果不被氫原子飽和，也將成為光生載流子的復合中心。2.1.2大晶粒多晶硅薄膜太陽能電池為了提高光生載流子的激發(fā)和傳輸效率，要盡量做大晶粒尺寸、降低晶粒間界，以減少晶界復合損失。現(xiàn)在薄膜太陽能電池與多晶硅太陽能電池性能的差距來源于半導體材料的結(jié)晶品質(zhì)。如果能獲得接近多晶硅片結(jié)晶品質(zhì)的多晶硅薄膜，制備光電轉(zhuǎn)換效率達20%的多晶硅薄膜太陽能電池是很有希望的。2.1.3量

6、子點太陽能電池這是更新一代的高效率太陽能電池。它的尺度介于宏觀固體與微觀原子、分子之間，典型尺寸為1nm-10nm，包含幾個到幾十個原子。由于荷電載流子的運動在量子點上受到三維限制，能量發(fā)生量子化。量子點具有很多新特性，例如具有高電導、可變化帶隙、可變化光譜吸收特性等。量子點太陽能電池大大提高了光電轉(zhuǎn)換效率，約為30%-40%，生產(chǎn)耗能比多晶硅電池減少20%。但是，目前尚有一些理論問題和工程技術(shù)難題需要解決。2.2新型薄膜太陽能電池新型薄膜太陽能電池是基于光電化學反應體系（光電化學電池）、利用光電化學原理設計的能量轉(zhuǎn)化裝置，包括染料敏化太陽能電池、量子點敏化太陽能電池等。該類太陽能電池具有很多

7、優(yōu)點：對半導體材料的缺陷不敏感；液/固結(jié)易于形成；實現(xiàn)直接的光能-化學能轉(zhuǎn)換，提高了能量轉(zhuǎn)換效率等。2.2.1染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池（DSCs）主要由三部分構(gòu)成：染料敏化的納米晶多孔光陽極，載有催化劑的對電極和氧化還原電解液。其中，光陽極和對電極的載體可以為氟摻雜二氧化錫導電玻璃（FTO），柔性氧化銦錫涂層的聚對苯二甲酸乙二酯/聚萘二甲酸乙二醇酯（PET/PEN）塑料薄膜，或者金屬鈦箔和不銹鋼基板等。納米晶多孔光陽極一般由金屬氧化物納米半導體材料如Ti02，Sn02，ZnO等組成的薄膜（粒子尺寸10-30nm，厚度10-20um，孔隙度50-60%），這些納米材料具有較大的比表面

8、積、吸附染料量較大，既作為染料光敏劑的載體又同時傳輸光生電子，使光生電子的產(chǎn)生和傳輸分離為兩個階段，有效提高了電荷的分離和收集效率。染料光敏劑一般是釕系配合物（N749，N3，N719）和有機染料等，染料光敏劑受到光激發(fā)后由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，向金屬氧化物半導體的導帶中注入電子，染料自身轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)。常用的對電極催化劑為貴金屬Pt，Au等，以及近年來開發(fā)的碳材料和過渡金屬碳化物、氮化物和氧化物的類鈾材料等。對電極催化劑的作用是催化輔助氧化還原電解液中的離子進行還原反應。目前最常用的氧化還原電對仍然是I-/I3-，它將被激發(fā)的氧化態(tài)染料還原為基態(tài)，而使染料繼續(xù)進行光生電子的產(chǎn)生和循環(huán)。同時，被氧化的

9、I3-從對電極得到電子而被還原成I-，完成自身的氧化還原反應。其工作原理可以用一下方程表示，染料電池的各組成部分需要滿足一定的關(guān)系：染料的LUMO能級高于半導體導帶，使電子注入在動力學上可以進行；氧化還原電對的氧化還原電勢高于染料的HOMO能級，使染料能夠順利再生。DSCs的光生電壓由染料敏化半導體導帶的能級和氧化還原電對的電勢差決定。此外，微納加工技術(shù)的應用可以在一定程度上提高染料敏化太陽能電池的效率。借助雙光束激光干涉、水熱和化學轉(zhuǎn)換合成三種技術(shù)，可以制備出大面積均勻、排列方式和密度精確可調(diào)的圖案化ZnO-ZnS核殼結(jié)構(gòu)納米棒陣列，經(jīng)過圖案化處理的ZnO-ZnS核殼結(jié)構(gòu)納米棒陣列大大提高了

10、染料敏化太陽能電池的效率。42.2.2無機半導體量子點敏化太陽能電池（QDSCs）無機半導體量子點敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)與DSCs相似，二者的差別是由無機半導體敏化劑（包括CdS、CdSe、PbS等）代替了DSCs中的染料光敏劑。相比而言，無機半導體敏化劑具有很多優(yōu)點：染料的吸收范圍較窄，而半導體量子點可以吸收大于或等于其禁帶寬度的光子，這就可以使用單獨一種無機光敏劑來吸收整個太陽光譜；（2）無機量子點的摩爾消光系數(shù)較高，而且由于它還可以利用多重俘獲機理（multiple trapping model）將電荷傳遞出由敏化劑組成的薄膜，因此可以應用于較薄的氧化物薄膜;量子點的禁帶寬度隨其尺寸變化，發(fā)生量子限域效應。也就是說，可以通過連續(xù)的調(diào)節(jié)量子點的尺寸制作得到彩虹式吸收的太陽能電池。三、結(jié)語多元化合物薄膜太陽能電池多由稀有元素所參與制備，雖然效率較高，但從材料來源來看，這類太陽能電池很難占據(jù)主導地位。而染料敏化太陽能電池和有機薄膜太陽能電池的研究剛剛起步，短時間內(nèi)不太可能替代硅系太陽能電池，但具有很好的發(fā)展前景。從轉(zhuǎn)換效率和材料的來源來看，多晶硅和非晶硅薄膜電池將最終取代單晶硅電池，且正在逐漸成為市場的主導產(chǎn)品。參考文